Kieselsauren

Kieselsauren Подпись: H4Si04 gelost

Monokieselsaure (Orthokieselsaure) H4Si04 ist praktisch in alien natUrlichen Gewassem enthalten. Sie bildet sich durch Auflosen von amorphem Siliciumdioxid, das durch Ver – witterung aus den Silicaten entstanden ist:

Kieselsaure ist nur in sehr verdunnter Losung (c(H4Si04) < 2 • 10"3 mol/1) kurzzeitig stabil. Derartig verdiinnte Losungen erhalt man im Labor durch Auflosen von Si02, gunstiger – weise von amorphem, aus der Gasphase abgeschiedenem Si02, in Wasser. Die Loslichkeit von amorphem Si02 ist mit einem Wert von 120 mg pro Liter Wasser (25°C) deutlich gro­Ber als die von kristallinem oder glasigem Si02 (Quarz: 2,9 mg/1; Quarzglas 39 mg/1; 25°C).

Kieselsauren Подпись: Abbildung 9.2 Kondensation der Kieselsauren

Die in verdtinnter Losung vorliegende Orthokieselsaure ist eine schwache Saure (pKsi = 9,51; pKs2 = 11,74). In neutraler Losung liegt sie praktisch unprotolysiert vor.

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—- ► ••• — О — Si — О — Si — О — Si — О — Si — О — •••

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Charakteristisches Merkmal der Kieselsaure ist ihre Neigung zur intermolekularen Was- serabspaltung (Kondensation) unter Bildung von Polykieselsauren. Die Geschwindigkeit der Kondensation ist abhangig von der Konzentration, der Temperatur und dem pH-Wert. Am bestandigsten sind L^SiCVLosungen bei einem pH-Wert um 2.

Die Orthokieselsaure geht unter H20-Abspaltung zunachst in die Dikieselsaure H6Si207 und durch weitere Kondensation tiber die Stufen der Tri – und Tetrakieselsauren in hoher- molekulare Polykieselsauren (z. B. Polymetakieselsauren, (H2Si03)n) uber (Abb. 9.2). Am Ende der Kondensationsreaktionen stehen kugelformig verknaulte Polykieselsaureaggre – gate kolloider Dimension mit einer relativen Molekulmasse von etwa. 6000. Sie bestehen aus einem Si02-Gerust, das im Wesentlichen aus unregelmaBig miteinander verkniipften Si04-Tetraedem aufgebaut ist und nach auBen durch eine Schicht OH-gruppenhaltiger Kie- selsaureeinheiten begrenzt wird. Die sich zunachst im Solzustand befindlichen Polykiesel­sauren kondensieren weiter. Unter Wasseraustritt werden weitere Si-O-Si-Bindungen ge – kniipft. Das Sol wandelt sich in eine gelartige Masse um, die als Kieselgel bezeichnet wird (auch: Kiesel-Hydrogel).

Beim Trocknen (Entwassem) von Kieselgel erhalt man ein poriges, lockeres Produkt mit einer groBen, inneren Oberflache (Silicagel, auch: Kiesel-Xerogel). Getrocknetes Kieselgel ist eine amorphe Form des Siliciumdioxids mit einem vollig ungeordneten, verknaulten Netzwerk, an dessen Oberflache OH-Gruppen lokalisiert sind (reaktives Si02, reaktive Kieselsaure, Abb. 9.3). Die reaktive Kieselsaure ist in der Lage, mit dem Ca(OH)2 des

Kalks oder Zements im Sinne einer Neutralisationsreaktion schwer losliche Calciumsilicate zu bilden (Puzzolanwirkung, s. Kieselgur).

Die Begriffe Kieselgel (fur die hochkondensierte, wasserreiche Kieselsaure) und Silicagel (fur die entwasserte Form des Kieselgels) werden sowohl in der Literatur als auch in der Praxis nicht einheitlich verwendet. Das entwasserte Produkt wird auch als Kieselgel be – zeichnet.

image117Abbildung 9.3

Schema eines kolloiden Si02-Teil- chens (reaktive Kieselsaure)

Amorphes Kieselgel eignet sich als „Puffer46 zur Vermeidung des Alkalitreibens (9.4.2.2), da es relativ rasch mit der gebildeten Alkalilauge reagiert und damit die Gesteinskomungen (opaline Sande) vor dem treibenden Angriff schtitzt. Dariiber hinaus ist Silicagel ein her – vorragendes Adsorptionsmittel fur Gase, Dampfe (z. B. H2ODampf), aber auch fur geloste Stoffe (Verwendung als Entfarber).

Kieselgur (Diatomeenerde, Diatomit) ist naturlich vorkommende, durch Sedimentierung kieselsaurehaltiger Schalen und Hartteile von Kieselalgen (Diatomeen) entstandene, amor – phe Kieselsaure. Ihr Si02-Gehalt liegt zwischen 85…90 %. Kieselgur gehort zu den natiirli – chen Puzzolanen (Кар. 9.3.3.3.1). Als Betonzusatzstoff wurde sie weitgehend durch den Trass ersetzt.

Silicastaub ist feinteiliger Si02-Staub. Er wird wegen seiner puzzolanischen Aktivitat und seiner Fullereigenschaft (Кар. 9.3.3.3.1) ftir Hochleistungsbetone verwendet.

Aerosile® (Fa. Degussa) sind synthetische nanoskalige Teilchen aus amorphem Siliciumdi – oxid. In der Technik bezeichnet man die Aerosile auch als pyrogene Kieselsaure. Herge – stellt wird die pyrogene Kieselsaure durch Flammenpyrolyse von Siliciumtetrachlorid (SiCl4). Das SiCl4 wird verdampft und anschliefiend in einer Knallgasflamme vollstandig zu extrem feinteiligen, amorphen Si02-Partikeln umgesetzt:

SiCl4 + 2 H2 + 02 -> Si02 + 4 HC1.

Durch Variation der Konzentration der eingesetzten Edukte, der Flammtemperatur bzw. der Verweilzeit im Verbrennungsraum konnen die Grolie der Primarteilchen (5…50 nml), die TeilchengroBeverteilung, die spezifische Oberflache (50…600 m2/g) sowie die Oberfla – chenbeschaffenheit gezielt beeinflusst werden. Fur Aerosile gibt es eine Reihe interessan – ter Anwendungsfelder – auch auf dem Bausektor, z. B. nichttropfende thixotrope Lacke. Die Wirkungsweise dieser Lacke beruht auf der langsamen Ausbildung von Wasserstoff – bruckenbindungen (s. Кар. 3.4) zwischen den OH-Gruppen (Silanolgruppen) der oberfla-
chenbehandelten Primarteilchen. Dabei entsteht ein Raumnetzwerk. Ruhrt man die Lacke um, oder streicht sie aus, reicht der geringe Eintrag an mechanischer Energie, um die H – Bruckenbindungen wieder zu brechen. Der Lack wird wieder dimnflussig. Dariiber hinaus werden Aerosile® zur thermischen Isolierung von AuBenfassaden und als puzzolanische Zusatzmittel fur Hochleistungsbetone eingesetzt (Кар. 14).